（电力电子与电力传动专业论文）电力电子变压器的新型拓扑结构与智能控制研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep o w e re l e c t r o n i ct r a n s f o r m e ri sac o n v e r t i b l ed e v i c ew h i c hc o n t a i n sp o w e r e l e c t r o n i cc o n v e r t e ra n dm a k e su s eo fh i g h f r e q u e n c yt r a n s f o r m e rr e a l i z i n gt h e m a g n e t i s mc o u p l i n g i tc o r l v e l t sv o l t a g ea n dt r a n s f e r se n e r g yb yp o w e re l e c t r o n i c t e c h n o l o g ya n dt h eh i g h f r e q u e n c yt r a n s f o r m e r i t sp r o m i n e n tc h a r a c t e r i s t i ci ss m a l l e r a n dl i g h t e rt h a nt h et r a d i t i o n a lt r a n s f o r m e r af l e x i b l ec o n t r o lf o rt h em a i na n d s u b s i d i a r ys i d ev o l t a g ea m p l i t u d ea n dp h a s ec a nb ea l s oa c h i e v e dr e s p e c t i v e l y i tc a n s a t i s f ym a n yf l e wr e q u e s t so ff l r t u r ep o w e rs y s t e m t h e r e f o r e i ti sn e c e s s a r yt h a t s t u d yi t st o p o l o g ys t r u c t u x ea n dt h ec o n t r o ls c h e m e s f i r s t l y s o m et y p i c a l s c h e m e so ft h ep o w e re l e c t r o n i ct r a n s f o r f i l e ra l e g e n e r a l i z e di nt h i sp a p e r a n dt h et o p o l o g ys t r u c t u r ea n dc o n t r o ls t r a t e g yo fp e t s s u b a s s e m b l ya 船a n a l y z e d i nd e t a i l s e c o n d l y i n t r o d u c e dt h eb a s i ck n o w l e d g eo ft h em a t r i xc o n v e r t e r c a r r i e do u t w h o s ee q u i v a l e n ta c d c a cs t r u c t u r e a n ds u g g e s t e dt h a tt h en e wt o p o l o g yo f p o w e re l e c t r o n i ct r a n s f o r m e rb a s e do i lm a t r i xc o n v e r t e r t h i r d l y s p w ms t r a t e g yh a sb e e np u ti nt h em a i ns i d eo fp e t s t u d i e dt h e v o l t a g ec o m p e n s a t i o nc o n t r o ls c h e m e su n d e rt h eg r i dw i t hn o n i d e a li n p u t b r o u g h t o u tt h ef e e d f o r w a r da n df e e d b a c kc o m p e n s a t i o nc o n t r o l a n dc a r r i e do u tm a t l a b s i m u l i n ke m u l a t i o r l f i n a l l y i ta p p l i e dt h ei n t e l l i g e n tc o n t r o lt h e o r yi n t of e e d b a c kc o m p e n s a t i o n c o n t r o ls c h e m e d e s i g n e dt h ef u z z ya d a p t i v ep i dc o n t r o l l e ra n de x p e r tp i dc o n t r o l l e r r e s p e c t i v e l y o p e n s u p t h e f i e l d a n d l a i d d o w n t h e b a s i s f o r t h e f u r t h e rs t u d y o f p e t k e yw o r d s p o w e re l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r p e t m a t r i xc o n v c l t e r t o p o l o g y f o r e b a c kc o m p e n s a t i o n f e e d b a c kc o m p e n s a t i o n 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题概述 第1 章绪论 课题名称 电力电子变压器的新型拓扑结构与智能控制研究 课题来源 自选 1 1 1 课题研究的背景和意义 我国电网建设已经颇具规模 但总体而言结构还是较为薄弱 加上装机容 量不足 负荷高峰时段电力系统往往处于零备用运行 电网安全受到极大威胁 同时 我国处于全国联网的初期 联网要经过一个由弱到强的过程 交流弱联 系统的安全稳定问题十分突出 由于部分电网5 0 0 千伏网架薄弱 为保证电网 可靠性 被迫采用5 0 0 千伏与2 2 0 干伏电磁环网运行 电磁环网问题影响了输 电能力的充分发挥 使输电断面的稳定水平降低 与之相对的是 随着信息技 术飞速发展 信息社会对供电质量提出了新的挑战 用户对电能质量以及供电 可靠性提出了更高的要求 如何在现有电网结构的基础上尽量避免故障 保证 供给用户可靠和合乎标准的电能 确保用户电气设备的安全经济运行已成为急 需解决的课题 另外 当今世界对环境保护和可持续发展闻题也日趋关注 传统的煤炭 石油等矿物能源储量有限 在若干年后都将开采殆尽 积极利用新能源和可再 生能源发电已成为社会发展的必然要求 太阳能发电 风力发电以及小水电等 分布式发电系统在整个能源结构中的比重逐步上升 并有望将成为今后的主要 能源来源 分布式电源容量小 分布广 交直流电源兼有 且电源电压或频率 具有较大的波动性 如何有效可靠地将它们融入电力系统也是今后需要解决的 问题之一 电力变压器自1 9 世纪被发明以来嘲 已经成为输配电系统的基本组成设备 数量巨大 目前 传统的电力变压器通常采用铁芯油浸式 具有制作工艺简单 可靠性高等优点 但是缺点也十分明显 包括 体积 重量大 空载损耗较高 变压器油对环境存在威胁 其主要作用是变压和隔离 功能比较单一 铁芯饱 和时 会产生谐波 在投入电网时还会造成较大的励磁涌流 此外 传统铁芯 武汉理工大学硕士学位论文 变压器过载时易导致输出电压下降 产生谐波 变压器两侧发生故障时 故障 电流 电压容易通过电磁藕荷传播 从而导致故障扩大 带非线性负载时 畸 变电流通过变压器耦合进入电网 造成对电网的污染 电源侧电压受到干扰时 又会传递到负载侧 导致对敏感负荷的影响 使用绝缘油造成环境污染 当系 统瓦解或者过载时需要配套的相关设备对其进行保护 由此可见 在电网结 构薄弱 受到扰动影响较大时 传统变压器无法起到抑制扰动 增大系统阻尼 提高电能质量 满足用户的要求的作用 另外 由于无法控制流经常规变压器 电能的屯流 电压与频率 传统变压器无法灵活地将各种分布式电源接入电力 系统 基于以上原因 国内外研究人员近年来都在积极探索研究新型的电力变压 器 而随着大功率电力电子元器件及其控制技术的发展 一种通过电力电子交 换实现电力系统中的电压变换和能量传递的新型变压器一电力电子变压器 p o w e re l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r p e t 得到了越来越多的关注o 7 4 电力电子交压器是一种含有电力电子变换器且通过高频变压器实现磁耦合 的变电装置 它通过电力电子变换技术和高频变压器实现电力系统中的电压变 换和能量传递 其突出特点在于它可以实现对变压器原副方电压幅值和相位的 灵活控制 可以满足未来电力系统的很多新的要求 包括 更高的稳定性 实 现更加灵活的输电方式 整合各种交直流分布式电源 以及实现电力市场下对 功率潮流的实时控制 因此 作为输配电系统最基本的组成设备 这种新型变 压器具备解决电力系统中面临的许多新课题的潜力 有广阔的应用前景 由于 电力电子技术的快速发展 有理由相信这种新型变压器能在不久的将来进入实 际电力系统 逐步替代目前使用常规铁芯式变压器 因此 对其拓扑结构和控制规律以及在电力系统中的应用开展研究是很有 必要的 具有十分重要的理论意义和应用价值 与常规的铁芯式变压器相比 电力电子变压器具有如下优点 1 体积小 重量轻 无环境污染 2 运行时可保持副方输出电压幅值恒定 不随负载变化 3 始终保证原 副方电压电流为正弦波形 并且原 副方功率因数任意可调 4 具有高度可控性 变压器原副方电压 电流的幅值和相位均可控 5 兼有断路器的功能 大功率电力电子器件可以瞬时 微秒级 关断故障 大电流 也无需常规变压器的复杂继电保护装置 2 武汉理工大学硕士学位论文 将电力电子变压器应用到电力系统后 将会给电力系统带来许多新的特点 有助于解决电力系统中所面临的许多新课题 主要表现在如下几个方面 1 p e t 作为一种高度可控的新型输电设备 其原副方电压的幅值和相位均 可控 且可关断故障大电流 这一特点应用到电力系统后 将有望大幅度提高 系统的稳定性 2 p e t 交直流环节兼有 所以可灵活地将各种分布式电源接入电力系统 3 p e t 具有高度的可控性 广泛应用后 将能够在保证系统稳定性的条件 下实现对潮流的实时灵活控制 4 与p e t 相联的同步发电机可实现异步化运行 当系统发生故障时 发电 机可实现短时异步化运行而不会与系统解列 提高系统的安全稳定性和供电可 靠性 5 当前电网中如谐波 电压跌落 闪变等电能质量问题日趋严重 将p e t 用于配电系统后 将能够起到电能质量调节器的作用 1 1 2 课题的国内外研究现状 1 9 7 0 年 美国g e 公司的w m c m u r r a y 首先提出了一种具有高频连接的a c a c 变换电路 这种高频变换原理已成为后来基于直接a c a c 变换的电力电子变压 器发展的基本思路 1 9 8 0 年 美国海军的一个研究项目提出了一种由a c a c 的 降压变换器构成的固态变压器 s o l i ds t a t et r a n s f o r m e r 其后 由美国电 力科学研究院 一时 则 l 为负 q 为负 即交流电源向a c i c 变换器输出容性 超前 无功电流 无 功功率 或交流电源从a c d c 交换器输入感性 滞后 无功电流 无功功率 当电压n 较小 k c o s 5 0 则增大交流电源输入的有功功率 使图2 5 中 直流电流毛加大 c 充电 提高v o 反之当实际电压k 偏高a v 0 则减小交 流电源送入变换器的有功功率 使l 减小 电容c 参与对直流负载供电 使圪减 小 在交流电压k 和直流负载任意变化时 这种输出直流电压圪的闭环控制可以使 直流输出电压k 维持保持恒定 同时使k l 的相位角妒保持为指定值 图2 7 控制策略原理框图 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 电力电子变压器的隔离环节 电力电子变压器必须具有传统变压器所具有的功能 原方和副方相隔离 以及电压等级的变换 由于由电力电予器件组成的v s c 对电压幅值调整范围有 限 无法有效地实现电压等级的变换 因此 必须将原方v s c 输出的直流电流 调制为交流电流 通过一个高频变压器耦合到副方 以达到隔离和变压的目的 高频变压器输出的交流信号通过一个同步解调环节 将还原为直流 作为下一 环节的输入 本节将详述高频变压器及其两侧之高频调制与同步解调电路的结 构以及特点 2 3 1 励磁电流频率与变压器体积的关系 p e t 中的高频变压器起着隔离 变压的作用 是电力电子变压器的一个重 要组成部分 由于变压器的容量可以表示为 s 2 2 2 t k f 4 4 j 瓦 2 1 1 其中s 为变压器容量 单位为伏安 置为铜导线饱和因数 厂为励磁频率 单位赫兹 4 为铁芯面积 单位平方米 4 为绕组导线面积 为导体中的电 流密度 单位为安培 平方米 吃为最大磁通密度 单位为特斯拉 由上式可以 看出 铁芯面积与绕组导线面积的乘积可以看成是导体中的电流密度 最大磁 通密度和励磁频率这三个量的函数 即 4 4 j 南 q 1 2 变压器的体积主要由铁芯面积与绕组导线面积来决定 因此可以认为变压 器的体积与最大磁通密度和频率成反比 因而 当构成铁芯的材料和变压器的 容量一定时 可以通过升高频率来减小变压器的体积 但同时 变压器的单位 重量铁耗可以由式2 1 3 表示 气 p l m 喙 9 8 2 2 1 3 式中 p l 为铁耗系数 p 为频率指数 可见随着频率的升高 铁芯损耗也随之上升 因此 为了尽可能的减小损 耗 磁通密度需要减小 对于高频变压器而言 为了获得较低的损耗和较小的 体积 需要针对频率与磁通密度做优化的设计 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 为了验证提高频率对于减小变压器体积 或者在体积不变的情况下增加变 压器的容量 的显著效果 文献 中制作了一台变压器分别通以1 0 0 0 h z 和印h z 的交流电 对各项结果做出了比较 为了使结论更有说服力 变压器的铁芯采 用普通0 3 6 毫米之硅钢片制作 实验结果见下表 表2 1 高频变压器与工频变压器对比 参数通1 k h z通6 0 h z单位 容量 l o 03 1 7k v a 原方电压 6 7 92 1 4 5v r m s 磁通密度 0 3 0 31 6t 铁芯损耗 7 7 33 8 6 w 绕组损耗 5 7 45 7 4w 温升 l o o 7 1 1 c 效率 9 8 69 6 9 从上表可以看出 在l k h z 的励磁电流下 变压器原方电压可以升至6 7 9 v r m s 相应的容量可以达到i o k v a 这时变压器的温升达到设计极限 而在6 0 h z 励磁 电流下 当变压器原方电压为2 1 4 5 v r m s 时 变压器铁芯磁通密度即达到设计 极限 此时变压器容量为3 1 7 v a 由此可见 在可接受的铁芯损耗下 通过l k h z 的励磁电流可以使相同体积的变压器容量上升到通以6 0 l i z 励磁电流时候的3 倍 以上 2 3 2 高频变压器的铁芯 与普通工频变压器不同 高频变压器必须长期工作在4 0 0 h z l s k h z 的频 率之下 因此目前应用于实际中的铁芯多采用铁基非晶材料 也有采用超薄 硅钢片 非晶材料主要有铁基非晶合金 铁镍基非晶合金铁基纳米晶合金 超 微晶合金 等 其特点如下 高强韧性 明显高于传统的钢铁材料 可以作复合增强材料 国外已经把 块状非晶合金应用于高尔夫球击球拍头和微型齿轮 非晶合金丝材可用在结构 零件中 起强化作用 另外 非晶合金具有优良的耐磨性 再加上它们的磁性 可以制造各种磁头 优良的磁性 与传统的金属磁性材料相比 由于非晶合金原子排列无序 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 没有晶体的各向异性 而且电阻率高 因此具有高的导磁率 低的损耗 是优 良的软磁材料 代替硅钢 坡莫合金和铁氧体等作为变压器铁芯 互感器 传 感器等 可以大大提高变压器效率 缩小体积 减轻重量 降低能耗 非晶合 金的磁性能实际上是迄今为止非晶合金最主要的应用领域 非晶纳米晶软磁合 金在高饱和磁感应强度和高导磁率上有理想的结合 灵活的处理工艺 和其它磁性材料相比 非晶合金具有很宽的化学成分范 围 而且即使同一种材料 通过不同的后续处理能够很容易地获得所需要的磁 性 所以非晶合金的磁性能是非常灵活的 选择余地很大 相对于超薄硅钢片而言 非晶材料价格较贵 硬度较高 加工较困难 但 其磁性较强 饱和磁感应强度可达1 4 1 7 t 软磁性能优于硅钢片 较为适合 替代硅钢片 作为用于中高频变压器的铁芯 以铁基非晶材料为例 它作为高 频变压器的铁芯 一般工作在1 0 k h z 以下 可以在1 3 0 c 下长时间工作 以它 为铁芯制造的配电变压器空载损耗较硅钢s 9 系列下降7 5 负载损耗较s 9 系 列下降2 5 2 3 3 隔离环节的结构 隔离环节的功能为将输入的直流电流转变为高频信号 经过高频变压器升 压或者降压 并耦合到副方 在副方再将交流信号转换为直流电流输出 由于 该环节所起的作用仅仅为高频调制 同步解调以及电压等级变换 为了使系统 的结构和控制更为简单 本装置中将输入环节整流输出的直流电流经过一个单 相全桥变换器调制为高频信号 该全桥变换器的驱动信号是频率为1 0 0 0 h z 占 空比为5 0 的高频方波 因此 全桥变换器的输出也为1 0 0 0 h z 的高频方波 该 交流电流经高频变压器耦合到副方后送至另一组相同的单相全桥变换器 这组 变换器的控制信号与原方变换器的控制信号相同 因此正好可以将高频方波转 换为直流信号 电路结构与控制信号如图2 8 所示 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 一一去一一去 一去一一士 卜 1 hjo 卜甲 h j j j 一 乘 1 工l 丁 巳下 l 巳干 商频变鹾器 平一 卒 1 5 0 单相仝桥交换器 单相企桥变换器 图2 8 隔离环节电路结构 00 0 0 20 0 0 40 0 0 60 0 0 80 们 图2 9 控制全桥变换器的高频方波 2 4 电力电子变压器的输出环节 2 4 1 输出环节的结构 由于该环节需将前级电路输出的直流电压逆变为三相交流电压 因此选用 如图2 1 0 所示的电压型三相桥式逆变电路与滤波器构成输出环节 开关器件为 i g b t 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 叫一 叫一 i 刊一 l 一 i y i h l 卜 lll 厂 纠正 叫正到r 1 i l i i a b c 图2 1 0 电压型三相桥式逆变器 其工作原理为 当i 导通时 节点a 接于直流电源正端 2 当t 4 导通时 节点a 接于直流电源负端 吃 一 2 同理 b 和c 点也是根据上 下管导通情况决定其电位的 按图2 1 1 中依顺序标号的开关器件其驱动信号 之间相差6 0 若每个开关管的驱动信号持续1 8 0 则在任何时候都有三个开关 管导通 并按照1 2 3 2 3 4 3 4 5 4 5 6 5 6 1 6 1 2 的 顺序导通 媵潜抟漆抟 d 心 肆删 邋醛焱 2 靠 叭7 矗 f燃 陵氍蕊氍圈 l l 醚浏 哦7 2 3 i蕊港醴黼 憋 辏 蕊 2 燃黼恻 哦7 1 3 靠 j4 3就 5 3 靠 图2 1 1 三相逆变器输出线电压波形 2 一 2 一 一 其基波分量彼此之间相差1 2 0 在图2 1 l 中1 2 0 9 宽的方波幅值为 若令 0 的时间坐标零点取为n 点 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 纵坐标为n y 则1 2 0 6 宽方波电压瞬时值的傅立叶分析结果为 力 竽 s i n 纠一l s i n 5 w t s i n 7 w t 吉s i n l l 删 l s i n l 3 w t 2 1 4 9 压 线电压基波幅值 巧 半 1 1 2 1 5 无三次谐波 仅有更高阶奇次谐波 n 次谐波的幅值为基波幅值的1 n 当逆交器输出接如图2 1 2 所示的星形负载时 在输出半周期内逆变器有下 述三种工作模式 图2 1 3 a 工作模式1 等效电路图 等效电阻 如 r r 2 3 r 2 r e 2 3 r 3 r 2 3 2 工作梗式2 丌 3 曼谢g 丌 习 t 2 t 6 玉有驱动信号 三相桥的a 点接 正电位p b c 点接负电位q 等效电路图如图2 1 3 b 所示 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 c 图2 1 3 c t 作模式3 等效电路图 等效电阻 疋 r r 1 2 3 r 1 2 毛 2 v o 3 r f 3 月 2 3 一岛r 一2 3 由此可知 星形负载电阻上的相电压v 二 v 0 v 二波形是图2 1 4 所示的阶梯 波 如果时间坐标起点取在a 相电压阶梯波的起点 纵坐标为图中实线o y 所示 则利用傅立叶分析图2 1 4 中a 相电压瞬时值为 k 吾 s i n r s i n5 w 号s i n 7 w r 六s i n l l z r 古s i n l 3 t v t 2 1 6 基波幅值 k 2 7 r 2 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 三l 麟拦k 圆严严图虹 v b t k 产酽蕊囤蛏吒嘤圈产俨皿 7 名l 嘲蕊严产逋随 b 嚼殍o 2 4 2 输出环节的控制 由2 1 4 式 2 1 5 式 2 1 6 式及2 1 7 式可见 逆变器的输出除了含有基波 以外 还含有一定数量的低次谐波 5 7 9 次等 为了保证输出的电能质量 采用s p 州调制方式来消除低次谐波是一种有效的手段 等面积p l m 控制方式原理表明 大小 波形不相同的窄脉冲变量作用于 惯性系统时 只要它们的冲量 即变量对时间的积分相等 其作用效果基本相 同 大小 波形不同的两个窄脉冲电压作用于l r 电路时 只要两个窄脉冲 电压的冲量相等 则它们所形成的电流响应就相同 如图2 1 5 a b 所示 将图2 1 5 a 中正弦波电压v l t 的上半波所围成的区域分为a b c d e 五个部分 当其面积与图2 1 5 b 中断续的直流电压环与时间轴围成的5 个 区域面积分别相等时 可以认为v 1 t 与v 2 t 等价 反 bcd入 r 嚏 正弦电jk 咽圈凰翻 w ab c e 圄 蛩瑟圈圈 b s h q i 笛效电舔 图2 1 5 用s p 丽电压等效正弦电压 2 l 武汉理工大学硕士学位论文 要使图2 1 5 中s p 删电压波在每个小时间段内都与该时间段内的正弦波等 效 除了每一时间段的面积相等外 每个时间段的电压脉冲还必须很窄 就要 求脉波数量足够多 脉波数越多 不连续的多脉波电压 t 就越等效于正弦电 压 对于如图2 1 6 所示的单相逆变电路面言 只要用形如图2 1 5 b 中v t 电压波形的信号来控制开关i 和t 4 的导通与关断 用与之完全相反的信号来控 制开关e 和t 3 就可以在负载上得到如图2 1 5 b 一样的电压波形 令每个 正弦波周期内窄脉冲的数量为n 分析和计算表明 形如v 2 t 的s p w m 波中最低 次谐波的阶数为n 一3 即在v t 中无7 次以下谐波 由此 在将输出电压经过p w m 调制以后 可以消除大部分的低次谐波 而 剩下的高次谐波则可以通过外加l c 滤波器消除 对于如图2 1 6 所示的l c 滤波 器而言 若逆变电路输出的n 次谐波有效值为k 则经过滤波器衰减以后输出 到负载的n 次谐波电压巧 近似为 2 士1 去2 赤 心 1 7 嚣c 口c 适当的选择i x 2 的值 使n 次谐波容抗远小于感抗 1 航c m 吐 i l c 珂2 l c i 即谐振频率留 1 万 疗留 则 t v 矿矿 淞而n z c2 高2 高 q 1 8 砜 砜 2 1 8 式表明逆变电路输出端的n 次谐波电压经三c 滤波器后要衰减 竺兰 z 砜 倍 谐波阶次越高 经同一l c 滤波器衰减后它对负载的影响就越小 逆 啊 变 嚣 a c 负载 图2 1 6 利用l c 滤波器滤除高次谐波 武汉理工大学硕士学位论文 2 5 电力电子变压器的三级电路结构 将上文所述的输入环节 隔离环节与输出环节连接起来如图2 1 7 所示 即为本文中重点介绍的电力电子变压器a c a c d c 拓扑的典型实现方案电路结 构 该结构的优点为 原方输入电流的相位可调 可以运行于单位功率因数 且电流波形谐波较小 对电网污染不大 整个装置能够实现传统铁芯变压器的 隔离原副方与电压等级变换的功能 容量一定时体积比传统变压器减小 当副 方输出逆变器采用s p 硼脉宽波控制时 可以通过调节调制比来稳定副方输出电 压 仁 r r m划埒埘谢埘 了一 一 nr n m 7 j q 蝴 厂一 娟娟蚂 u f f 时 g l 导通 9 4 关断 使负载上得到的相电压为 d 睾 二 rr 当 0 够 i t 时 说明误差的绝对值已经很大 不论误差变化趋势如 何 都应该考虑控制器的输出按最大 或最小 输出 以达到迅速调整误差 使误差绝对值以最大速度减小 此时 它相当于实施开环控制 2 当e k a e k 2 0 时 说明误差在朝误差绝对值增大方向变化 或误差 为某一常值 未发生变化 此时 如果ip i m 说明误差也较大 可考虑 由控制器实施较强的控制作用 以达到扭转误差绝对值朝减小方向变化 并迅 速减小误差的绝对值 控制器输出可为 娴 l 聃一1 与 吒 o p p 七一1 南 白 p 助一2 p 一1 鼬一2 4 1 3 此时 如果le k i 鸠 则说明尽管误差朝绝对值增大的方向变化 但误差 e o 武汉理工大学硕士学位论文 绝对值本身并不很大 可考虑控制器实施一般的控制作用 只要扭转误差的变 化趋势 使其朝误差绝对值减小方向变化 控制器输出为 i f 曰 l 移一1 屹酸p 一啦一1 月 与柳 岛p p 一2 d 七一1 舷一2 见 4 1 4 3 当e k a e k 0 或者e k 0 时 说明误差的绝 对值朝减小的方向变化 或者已经达到平衡状态 此时 可以考虑采取保持控 制器输出不变 4 当e k a e k 0 a e k a e k 1 m 2 可考虑实施较强的控制作用 u k u k 1 南七 4 1 5 如果此时误差的绝对值较小 即ie k f l 毛表示抑制系数 0 t 鸩 k 表示控制周期的序号 自然数 表示任意小的正实数 在图4 2 6 中 1 3 5 7 区域 误差朝绝对值减小的方向变化 此 时 可采取保持等待措施 相当于实施开环控制 2 4 6 8 区域 误 差朝绝对值增大的方向变化 此时 可根据误差的大小分别实施较强或一般的 控制作用 以抑制动态误差 2 专家p i d 控制器的设计与仿真 依据上述专家控制的5 条原则 应用l a t l a b 语言编程 实现了一种专家p i d 控制算法 其仿真程序见附录2 武汉理工大学硕士学位论文 由仿真圈4 2 5 图4 2 6 可徭出 该专家p i d 控制器能够使系统响应速度更 快 无超调 稳态精度高等优点 对于具有非线性 时变不确定性 难以建立精 确数学模型的系统 应用专家p i d 控制可以达到理想的控制效果 对更好地研 究当电网输入为非理想情况下的电压补偿控制提供了又一个行之有效的方法 6 1 武汉理工大学硕士学位论文 5 1 全文总结 第5 章总结与展望 电力电子变压器作为一种新出现的设备 目前不论在理论研究还是实践上 都有许多不完善的地方 对于如何能够充分发挥其优良的特性 使得电力系统 更加安全稳定经济的运行 用户电能质量得到改善的研究 将是非常有意义的 本文在国内外许多研究人员成就的基础上 尝试在以下几个方面开展了一些研 究工作 1 介绍了电力电力变压器的基本原理以及目前比较有代表性的几种典型 实现方案 其中详细讲述了电力电子变压器的输入环节 隔离环节和输出环节 的三级组成结构的拓扑与控制策略 分析了其各部分的特点以及组合为一个整 体之后与常规变压器的区别与优势 2 介绍了矩阵变换器的基本知识 导出了矩阵变换器的效交一直一交结 构 并将矩阵变换器的等效交一直一交结构与双p w m 交一直一交变换器结构作 了比较研究 得出了矩阵变换器的等效交一直一交调制实质上就是双p w m 交一 直一交变换器双空间矢量法的一体化实现 并因此提出了基于矩阵变换器的电 力电子变压器新型拓扑结构 3 对新型电力电子变压器的原边实施了s p w m 调制策略 研究了在电网 输入为非理想情况时的电压补偿控制方案 提出了前馈补偿控制和反馈补偿控 制 并对两种方案进行了m a t l a b s i m u l i n k 仿真研究 4 当电网输入为非理想情况下时 将智能控制理论应用于输出电压反馈 补偿控制方案中 分别设计了模糊自适应p i d 控制器和专家p d 控制器 拓展 了电力电子变压器的研究领域 为电力电子变压器的进一步研究打下了基础 5 2 今后需要做的工作 由于时间所限 目前本文还有许多需要完善的地方 而且基于矩阵变换器 拓扑结构的新型电力电子变压器的系统仿真与控制 尚有许多具体问题需要深 入探讨的研究 因此 有待于在后续工作中完成的内容包括 1 本文仅提供了新型电力电子变压器的主电路简化拓扑结构 对于电力 6 2 武汉理工大学硕士学位论文 电子变压器的主电路保护电路 控制电路的保护有待进一步研究 2 对于矩阵变换器的多种拓扑结构需要编制不同的控制策略 本文仅对 电力电子变压器原边的3 2 矩阵变换器实施了s p w m 控制策略 而对于副边的 2 3 矩阵变换器的控制尚未提及 3 对于当电网输入为非理想情况时的电压补偿控制方案 仅讨论了电网 输入为对称输入和非对称输入的前馈补偿和反馈补偿 而对当电网电压发生突 变或闪络的情况有待研究 4 对于智能控制理论应用于本文所提供的新型电力电子交压器 本文仅 提供了模糊自适应p i d 控制器和专家p i d 控制器的设计方案 而对整个系统的 仿真需作进一步研究 5 对新型电力电子变压器在电力系统中的应用作深入研究 武汉理工大学硕士学位论文 参考文献 1 赵希正 把握规律 推进电力改革与发展 求是 2 0 0 3 2 3 1 2 3 5 3 7 2 e p r ir e p o r t p r o o fo ft h ep r i n c i p l eo ft h es o l i d s t a t eu a n s f o r m e rt h ea c a cs w i s hm o d e r e g u l a t o r r e p r it r 1 0 5 0 6 7 r e s e a r c hp r o j e c t8 0 0 1 1 3 f i n a lr e p o r t a u g u s t1 9 9 5 3 n i k o l at e s l a s y s t e mo f e l e c t r i c a ld i s t r i b u t i o n p u sp a t e n t 3 8 1 9 7 0 1 8 8 8 4 je rr e n a n s d s u d h o f f s eg l o v e r d l g a l l o w a y ap o w e re l e c 订o n i c b a s e dd i s t r i b u t i o n i r a n s f o r m e r 田 1 e e e t r a n s o n p o w e r d e l i v e r y 2 0 0 2 1 7 2 5 3 7 5 4 3 5 5 变压器制造技术丛书编审委员会 变压器绕组制造工艺 北京 机械工业出版社 1 9 9 8 f 6 6b r o o k sj l s o l i ds t a t et r a n s f o r m e rc o n c e p td e v e l o p m e n t 网 n a v a lm a t e r i a lc o m m a n d c i v i l e n g i n e e r i n gl a b o r a t o r y n a v a lc o n s t r u c t i o nb a t t a l i o nc t r p o r th u e n e m e c a 1 9 8 0 阴毛承雄 范澍 王丹 方华亮 黄贻煜 电力电子变压器的理论及其应用 i 高电压技术 2 0 0 3 2 9 1 0 4 6 8 毛承雄 范澍 陆继明 黄贻煜 电力电子变压器的理论及其应用 i i 高电压技术 2 0 0 3 2 9 1 2 1 3 9 赵剑峰 输出电压恒定的电力电子变压器仿真 电力系统自动化2 0 0 3 0 3 2 7 1 8 3 0 3 3 1 0 wm c m u r r a y p o w e rc o n v e r t e rc i r c u i t sh a v i n gah i g h f r e q u a n c yl i n k u s p a t e n t3 5 1 7 3 0 0 1 9 7 0 i i k h a r a d a h s a k a m o t o a n dm s y o y a m a p h a s e c o n t r o l l e dd c a cc o r l v e r t e rw i t hh i g h 丘e q l l c i l c ys w i t c h i n g i e e et r a mo np o w e re l e c t r o n i c s 1 9 8 8 3 4 4 0 6 4 11 1 2 kh a r a d a ea r i a n k y a m a s a k i m j i n n o y k a w a t a t n a k a s h i m a km m a m a n dh s a k a m o t o i n t e l l i g e n tt r a n s f o r m e r i nc o n f r e c o f i e e ep e s c 1 9 9 6 1 3 3 7 1 3 4 1 1 3 m e n e i l e t ia n d i j p i t e l a n a l y s i s a n d d e s i g n o f e l e c t r o n i c t r a n s f o r m e r s f o r e l e c t r i c p o w e rd i s t r i b u t i o ns y s t e m i e e et r a mo np o w e re l e c t r o n i c s 1 9 9 9 1 4 6 11 3 3 11 4 1 1 4 1m k a n g a n a l y s i sa n dd e s i g no fe l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r sf o re l e c t r i cp o w e rd i s t r i b u t i o na n d u t i l i t yi n t e r f a c eo f p o w e re l e c t r o n i cs y s t e m s t e x a sa mu n i v e r s i t y 2 0 0 0 1 5 m d m a n j r e k a r i lk i e f e m d o r f gv e n k a t a r a m a n a n p o w e re l e c t r o n i ci r a n s f o r m e r sf o r u t i l i t ya p p l i c a t i o n s c o n f e r e n c cr e c o r do ft h e2 0 0 0i e e e i a sa n n u a lm e e t i n g2 0 0 0 4 2 4 9 6 2 5 0 2 f 1 6 e r o n a n s d s t l d i 啦s eg i v e r d l g a l l o w a y a p p l i c a t i o no f p o w e r e l e c t r o n i c s 幻t h e d i s t r i b u t i o nw a n s f o r m o r a p p l i e dp o w e re l e c t r o n i c sc o n f e r e n c ea n de x p o s i t i o n 2 0 0 0 a p e c2 0 0 0 f i f t e e n t ha n n u a li e e e 2 0 0 0 v 0 1 2 8 6 1 名6 7 武汉理工大学硕士学位论文 1 7 e r o n a l la p p l i c a t i o no fp o w e re l e c t r o n i c st ot h ed i s t r i b u t i o nt r a n s f o r m e r u n i v e r s n yo f m i s s o u r i r o l l 乱2 0 0 0 1 8 陈淮金 灵活交流输电系统技术及其应用 一 电力系统自动化 1 9 9 4 1 8 3 1 9 1s s r i n i v a s a n gv e n k a t a r a m a n a l lc o m p a r a t i v ee v a l u a t i o no fp w m a c a cc o n v e r t e r s r e c o r d o f p o w e r e l e c t r o n i c ss p e c i a l i s t s c o n f e r e n c e 2 6 t h a n n u a l l e e e 1 9 9 5 l 5 2 9 6 3 5 2 0 g r 饥k a 伽篇m a n b kj o h n s o n a s u n d 口a m a na c a cp o w e rr f f l v e r t e rf o rc u s t o m p o w e r a p p l i c a t i o n s 1 e e e t r a a s o n p o w e r d e l i v e r y 1 9 9 6 1 1 0 1 6 6 缸1 6 7 1 2 l 张笑微 变频器的理想整流部件 p w m 整流器 西南工学院学报 1 9 9 6 1 1 0 2 5 3 1 2 2 陈坚 电力电子学 北京 高等教育出版社 2 0 0 2 l 2 0 5 2 1 5 2 3 张崇巍 张兴 p w m 整流器及其控制 北京 机械工业出版社 2 0 0 3 1 0 2 4 姚为正 王兆安 三相大功率p w m 整流电路的研究 湖南工程学院学报 2 0 0 1 1 1 1 l 4 2 5 许实章 电机学 第3 舨 北京 机械工业出版杜 1 9 9 3 2 6 c 0 1 w t m c l y m a n t r a n s f o r m e ra n di n d u c t o rd e s i g nh a n d b o o k 2 n de d m a r c e ld e k k e r n e wy o r k 1 9 9 3 2 7 1 修刚 周广安 韩建 非晶合金铁芯低损耗变压器 节能技术 1 9 9 8 3 2 5 2 8 2 8 李锡雄 陈婉儿 脉宽调制技术 华中理工大学出版社 1 9 9 6 1 2 9 邓卫华 张波 胡宗波 电力电子变压器电路拓扑与控制策略研究 电力系统自动化 2 0 0 3 2 7 2 0 4 0 4 4 3 0 g y u g y i l p o l l yb s t a t i cp o w e rf r e q u e n c yc h a r g e r s n e wy o r k j o h nw i l l ya n ds o n si n c 1 9 7 6 3 1 c h r i s t i a nk l u m p n e r an e wm a t r i xc o n v e r t e rm o t o r t m c m f o ri n d u s t r ya p p l i c a t i o n s i e e e t r a n s a c t i o n s o n 酣d iy s t r i a i 唧t r o n i c s 2 0 0 2 4 9 2 3 6 2 3 6 9 3 2 1 穆新华 庄心复 交交型矩阵变换器的双电压控制原理及波形合成 南京航空航天大学 学报 1 9 9 7 2 9 2 1 5 1 1 5 7 3 3 1 梅杨 孙凯 黄立培 矩阵式变换器技术研究概况 变频器世界 技术探讨与研究 2 0 0 6 1 3 4 王兆安 黄俊 电力电子技术 第4 版 北京 机械工业出版社 2 0 0 1 4 3 5 1 张毂 许镇琳 刘曼 矩阵变换器的开关换流技术研究 天津大学学报 2 0 0 2 3 5 1 3 5 3 8 p 6 郭有贵 朱建林 矩阵变换器四步换流的仿真研究 现代电子技术 2 0 0 3 7 6 2 6 3 3 7 1 王建华 高海生 矩阵变换器研究综述 科技广场 2 0 0 6 2 3 8 李耀华 刘卫国 矩阵变换器与双p w m 变换器的比较研究 电气传动自动化 2 0 0 6 2 8 4 9 一1 3 武汉理工大学硕士学位论文 3 9 董德智 谢达伟 洪乃刚 基于双p w m 变换的电力电子变压器 安徽工业大学学报 2 0 0 6 2 3 2 1 6 9 1 7 3 4 0 陈继宗 李永东 级联型高压交一交矩阵变换器的仿真研究 电